Пределы прочности и текучести

Предел прочности (временное сопротивление, σв, английское Ultimate Tensile Strength, UTS) — это максимальное напряжение, которое образец выдерживает при растяжении до разрушения или до начала локального сужения (шейки). Предел текучести (σ0.2, Yield Strength, YS) — напряжение, при котором в металле начинается заметная пластическая деформация: после этой точки деталь уже не возвращается к исходной форме после снятия нагрузки. Для большинства металлов и сплавов, у которых нет чёткого излома на диаграмме растяжения, текучесть определяют условно — по остаточному удлинению 0,2%, отсюда обозначение σ0.2.

Для инженерных расчётов ключевым обычно оказывается именно предел текучести, а не прочности: как только напряжение в детали переходит эту границу, деталь необратимо деформируется и теряет расчётную геометрию, даже если формально ещё не разрушилась. Поэтому допускаемые напряжения и коэффициенты запаса в машиностроительных расчётах чаще привязывают к σ0.2, а σв используют как справочный ориентир и для оценки запаса до разрушения. Отношение σ0.2/σв (коэффициент текучести) показывает, насколько материал предупреждает о перегрузке пластической деформацией, прежде чем сломаться: у пластичных отожжённых сплавов оно низкое (0,3−0,5), у закалённых и нагартованных — приближается к 0,85−0,95.

Главная сложность в работе с этими цифрами — зависимость от состояния поставки. Один и тот же сплав по химическому составу может продаваться отожжённым (мягким), нагартованным (наклёпанным холодной деформацией) или термообработанным (после закалки и старения, закалки с отпуском). Разброс прочности между этими состояниями для одной и той же марки бывает больше, чем разница между разными сплавами — поэтому ниже диапазон для каждой группы материалов привязан к конкретному состоянию поставки.

1. Медь

Чистая медь (М1, М2, аналог C11000/Cu-ETP) — самый мягкий и пластичный металл из этой десятки. Прочность практически целиком определяется степенью нагартовки при холодной прокатке или волочении: отожжённая медь легко гнётся и штампуется, твёрдая — держит форму и не мнётся, но хуже гнётся без трещин. Термообработкой прочность меди не поднимают — для этого берут бронзы.

2. Латуни

Прочность латуни растёт вместе с долей цинка (томпаки Л90-Л96 мягче, Л63/Л68 прочнее) и сильно зависит от нагартовки: разница между отожжённой и твёрдой лентой из одной и той же марки достигает полутора раз по σв и трёх-четырёх раз по σ0.2. Двухфазные латуни (ниже ~62% меди) прочнее однофазных, но хуже гнутся в холодную.

3. Бронзы

У бронз разброс прочности самый широкий во всей десятке, потому что группа объединяет принципиально разные механизмы упрочнения: твёрдый раствор у оловянных бронз, эвтектоидное упрочнение алюминием у алюминиевых, и дисперсионное твердение при закалке со старением у бериллиевых и хромциркониевых. Оловянные литейные бронзы (БрОЦС и аналоги) остаются мягкими и в литом состоянии. Алюминиевые бронзы (БрАЖ, БрАЖН) уже в литом виде заметно прочнее меди. Бериллиевая бронза БрБ2 (AERIS 1345) после закалки и искусственного старения набирает 1250−1400 МПа — это уровень легированной конструкционной стали при сохранении высокой электро- и теплопроводности. Хромциркониевая бронза БрХ1Цр (AERIS 1330) после термообработки даёт свыше 450 МПа, не теряя проводимость.

Предел текучести БрБ2 в состоянии после старения указан ориентировочно (соотношение σ0.2/σв для дисперсионно-твердеющих бронз обычно 0,8−0,9) — уточняйте по конкретной партии.

4. Никель и медно-никелевые сплавы

Технически чистый никель (НП2, аналог Nickel 200) и монель (НМЖМц28, Monel 400) в отожжённом состоянии сопоставимы по прочности с отожжённой латунью. Дальше группа резко расходится: жаропрочные никелевые сплавы с хромом и молибденом (хастеллой C-276) уже в закалённом на твёрдый раствор виде прочнее конструкционной стали, а дисперсионно-твердеющие суперсплавы с ниобием и алюминием — и особенно после старения — выходят на уровень закалённых легированных сталей, сохраняя при этом работоспособность при высоких температурах, чего у стали нет.

5. Титан

Технически чистый титан (ВТ1−0 и аналоги Grade 1−4) набирает прочность за счёт содержания кислорода и железа — чем выше сорт (grade), тем прочнее и тем ниже пластичность. Основная рабочая лошадка отрасли — двухфазный сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V, Grade 5): в отожжённом состоянии он даёт сбалансированное сочетание прочности и пластичности, а закалка со старением поднимает прочность ещё на 150−250 МПа за счёт дисперсионного твердения, но снижает вязкость разрушения.

6. Алюминий

У алюминиевых сплавов разброс прочности внутри группы больше, чем у любой другой (кроме бронз) — от мягкого технического алюминия 1хxx до термоупрочняемого дуралюмина и высокопрочных сплавов 7ххх серии он превышает 6 раз. Термически неупрочняемые сплавы (1xxx, 3xxx, 5xxx) набирают прочность только нагартовкой (маркировка Н или H); термически упрочняемые (2xxx, 6xxx, 7xxx) получают максимальную прочность закалкой и искусственным старением (Т1-Т6).

7. Магний

Магниевые сплавы — самые лёгкие в этой десятке (плотность около 1,8 г/см³), и по абсолютной прочности они уступают почти всем остальным группам, зато выигрывают по удельной прочности на единицу массы. Деформируемый AZ31B (лист, пруток) прочнее в нагартованном состоянии, чем в отожжённом; литейный AZ91 (литьё под давлением) прочнее AZ31 на разрыв, но заметно более хрупкий и хуже держит ударные нагрузки.

8. Цинк

Прокатный цинк (листы, ленты) — мягкий и пластичный материал, его прочность заметно ниже, чем у литейных цинковых сплавов. Литейные сплавы системы цинк-алюминий (ZAMAK 3, ZAMAK 5 и высокопрочные ZA-8, ZA-27) за счёт легирования алюминием и медью прочнее чистого цинка в полтора-два раза и остаются основным материалом литья под давлением для корпусных деталей и фурнитуры.

9. Нержавеющая сталь

Аустенитные марки (, ,) термически не упрочняются — их прочность в состоянии поставки определяется степенью нагартовки при прокатке, а предел текучести у них заметно ниже предела прочности из-за низкого коэффициента текучести. Мартенситные и дисперсионно-твердеющие марки (410, 17−4PH) после закалки и старения выходят на уровень легированной конструкционной стали, сохраняя коррозионную стойкость. Дуплексные марки занимают промежуточное положение — прочнее аустенитных, но пластичнее мартенситных.

10. Стали конструкционные и инструментальные

Углеродистые конструкционные стали общего назначения (Ст3, сталь 20−45 в состоянии поставки) занимают нижнюю часть диапазона. Легированные конструкционные стали (40Х, 30ХГСА и аналоги) после закалки с отпуском набирают в два-три раза больше прочности за счёт легирования хромом, марганцем и кремнием. Инструментальные стали холодной и горячей штамповки (D2, A2 и аналоги) после закалки на высокую твёрдость выходят на максимум для всей десятки материалов — выше, чем у любых цветных сплавов и большинства нержавеющих сталей, но ценой резкого падения пластичности и свариваемости.

Нагруженные конструкционные детали (валы, кронштейны, корпуса под давлением) считают по пределу текучести с коэффициентом запаса — обычно 1,5−2,5 в зависимости от характера нагрузки и класса ответственности изделия. Здесь важен именно σ0.2, а не σв: деталь, которая пластически деформировалась при перегрузке, чаще всего уже непригодна к эксплуатации, даже если формально не разрушилась.

Пружины и упругие элементы (контакты, разжимные кольца, пружинные шайбы) требуют максимального σ0.2 при сохранении упругости — для них берут нагартованную бронзу (БрБ2, БрХ1Цр после старения), пружинную сталь после закалки и отпуска на среднюю твёрдость или нагартованные латуни. Здесь важен высокий коэффициент текучести σ0.2/σв, чтобы деталь не садилась при каждом цикле нагружения.

Крепёж и резьбовые соединения подбирают по классу прочности, который напрямую завязан на σв и σ0.2 материала — у стального крепежа это привычные классы 8.8/10.9/12.9, у цветного крепежа (латунь, бронза, титан) прочность подбирают под конкретную нагрузку и коррозионную среду, поскольку единой системы классов прочности для цветных сплавов нет.

Детали холодной штамповки и гибки (кожухи, кронштейны сложной формы, соединители), наоборот, требуют более низкого σ0.2 и высокой пластичности — здесь предпочитают отожжённые или мягкие состояния поставки, а упрочнение получают уже после формообразования нагартовкой в процессе штамповки или последующей термообработкой. Заказывать сразу твёрдый/закалённый материал под глубокую гибку — частая ошибка, которая заканчивается трещинами по линии сгиба.